[논문]다상 DC-DC 컨버터의 입력 전류 리플 저감 제어 알고리즘

주동명; 김동희; 이병국

doi:10.6113/tkpe.2014.19.3.220

다상 DC-DC 컨버터의 입력 전류 리플 저감 제어 알고리즘
Input Current Ripple Reduction Algorithm for Interleaved DC-DC Converter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.3, 2014년, pp.220 - 226

주동명 (College of Information and Communication Eng., Sungkyunkwan Univ.) , 김동희 (College of Information and Communication Eng., Sungkyunkwan Univ.) , 이병국 (College of Information and Communication Eng., Sungkyunkwan Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

Input current ripple and harmonic components of the power device are main causes of electromagnetic interference (EMI). Although the discontinuous conduction mode (DCM) operation can reduce harmonic components of the power device by reducing reverse recovery current of diode and turn-off voltage spikes of the switch, input current ripple increases due to high peak to peak inductor current. Therefore, in this paper, frequency control algorithm is proposed to reduce the input current ripple of DCM operated interleaved boost converter. In the proposed algorithm, duty ratio is fixed either 0.33 or 0.67 to minimize the input current ripple and the switching frequency is controlled according to operating conditions. 600 W 3-phase interleaved boost converter prototype system is built to verify proposed algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 3상 부스트 컨버터를 DCM 모드로 동작시키고, 기존의 고정주파수 PWM 제어를 통한 출력전압 제어와 달리 추가적으로 입력 전류 리플의 저감이 가능한 고정 듀티 비 주파수 가변 동작 알고리즘을 제안하였다. 600W급 하드웨어의 설계를 통해 시작품을 제작하였으며, 이를 통해 제안한 알고리즘의 입력 전류 리플의 저감 효과를 검증하였다.
본 논문에서는 600 W급 3상 부스트 컨버터 프로토타입을 제작하여 제안한 알고리즘을 검증하였다. 시스템을 DCM으로 동작시켜야하기 때문에 계산된 주파수 변화에 따라 전체 부하 범위에서 DCM으로 동작 가능하도록 인덕턴스 값을 설정해야 한다.
본 논문은 DCM에서 동작하는 다상 부스트 컨버터의 입력 전류 리플 저감을 위한 주파수 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 입력 전류 리플을 최소화 하기 위해 입력 전압 및 출력전압의 비에 따라 듀티비를 (1/N)*k (k=1…N-1)로 고정하고 스위칭 주파수를 가변하여 출력 전압을 제어한다.

가설 설정

- 다상 부스트 컨버터를 구성하는 각각의 부스트 컨버터의 연속 도통 모드 (CCM: Continuous Conduction Mode) 및 불연속 도통 모드 (DCM: Discontinuous Conduction Mode)의 동작 모드와 관계없이 다상 부스트 컨버터의 입력 전류는 연속이 된다.

제안 방법

전력반도체는 전압 마진을 고려하여 200 V 정격을 가지는 MOSFET 및 Diode를 사용하였다. 또한 전력반도체의 패키지 선정에서 주로 사용하는 TO-264AA 패키지 대신 R_th,CK (Thermal resistance, case to heatsink)가 낮아 방열에 용이한 mini-BLOC 패키지를 선정하였다.
은 식 (4)와 같이 결정되며 roll-off는 코어에 가해지는 자화력에 따른 투자율 감소분을 고려한 인덕턴스 보정 항을 의미한다. 인덕턴스 설계는 데이터시트 상 초기 인덕턴수 계수 A_L0 및 턴 수에 의한 초기 인덕턴스 값을 계산한 뒤, 컨버터의 실제 동작 환경에서 인덕터 전류의 자화력에 의한 투자율 감소를 보정하기 위해 각각의 입력 전압 및 동작 주파수에서의 인덕터 전류를 예측하였다.
표 2는 기존의 듀티 제어 알고리즘과 제안한 주파수 제어 알고리즘의 이론적인 입력 전류 리플을 비교한 표이다. 입력 전류 리플은 3상 부스트 컨버터가 DCM에서 동작할 때의 입력 전류 리플 계산 수식을 사용하여 비교 하였으며 제안한 알고리즘의 스위칭 주파수 또한 정리하였다^[2]. 입력 전압이 39 V 이하인 경우 제안한 알고리즘을 적용하면 필요 스위칭 주파수가 10 kHz 이하가 되며 그 때의 입력 전류 리플은 기존 PI제어에 비해 커지기 때문에 기존의 알고리즘에 따라 제어한다.
입력 전류 리플은 3상 부스트 컨버터가 DCM에서 동작할 때의 입력 전류 리플 계산 수식을 사용하여 비교 하였으며 제안한 알고리즘의 스위칭 주파수 또한 정리하였다^[2]. 입력 전압이 39 V 이하인 경우 제안한 알고리즘을 적용하면 필요 스위칭 주파수가 10 kHz 이하가 되며 그 때의 입력 전류 리플은 기존 PI제어에 비해 커지기 때문에 기존의 알고리즘에 따라 제어한다.
3 kHz에서 37 kHz까지 변동하며 출력 전압은 90 V로 잘 제어되는 것을 확인 할 수 있다. 입력전압이 40 V 이하일 때는 승압에 필요한 스위칭 주파수가 9 kHz 이하로 매우 낮아지기 때문에 기존 고정 주파수 제어에 비해 입력 전류 리플이 커지며, 인덕터의 포화 위험이 있기 때문에 스위칭 주파수를 20 kHz로 고정하여 제어하였다.
제안한 알고리즘은 입력 전류 리플을 최소화 하기 위해 입력 전압 및 출력전압의 비에 따라 듀티비를 (1/N)*k (k=1…N-1)로 고정하고 스위칭 주파수를 가변하여 출력 전압을 제어한다.
제안한 알고리즘을 검증하기 위해 DCM으로 동작하는 3상 부스트 컨버터에 대한 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 기존의 고정주파수 PWM 제어 알고리즘과 제안한 듀티 고정 가변주파수 제어 알고리즘을 각각 3상 부스트 컨버터에 적용하여 비교하였다.
제어기는 TI사의 TMS320F28335를 사용하여 각종 정보 센싱 및 제안한 알고리즘 연산을 수행하였다. 표 1은 시스템 사양 및 설계된 조건에서의 스위칭 주파수를 나타낸다.
기존의 고정주파수 PWM 제어 알고리즘과 제안한 듀티 고정 가변주파수 제어 알고리즘을 각각 3상 부스트 컨버터에 적용하여 비교하였다. 환경에 따라 발전 조건이 변하는 신재생 에너지의 특성을 모의하기 위하여 입력 전압의 가변에 따라 입력 전류 리플 크기의 변화 양상을 확인하였다.

대상 데이터

따라서 시스템이 DCM으로 동작하기 위해 그래프 아랫부분에 있는 인덕턴스 값을 선택해야 한다. 인덕턴스는 고정주파수 DCM 동작 조건 및 제안한 알고리즘에서의 DCM 동작 조건을 만족하는 인덕턴스 값 중 입력 전류 리플을 줄이기 위해 임계 인덕턴스에 가까운 81 uH로 인덕턴스 값을 선정하였다.
전력반도체는 전압 마진을 고려하여 200 V 정격을 가지는 MOSFET 및 Diode를 사용하였다. 또한 전력반도체의 패키지 선정에서 주로 사용하는 TO-264AA 패키지 대신 R_th,CK (Thermal resistance, case to heatsink)가 낮아 방열에 용이한 mini-BLOC 패키지를 선정하였다.

데이터처리

제안한 알고리즘을 검증하기 위해 DCM으로 동작하는 3상 부스트 컨버터에 대한 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 기존의 고정주파수 PWM 제어 알고리즘과 제안한 듀티 고정 가변주파수 제어 알고리즘을 각각 3상 부스트 컨버터에 적용하여 비교하였다. 환경에 따라 발전 조건이 변하는 신재생 에너지의 특성을 모의하기 위하여 입력 전압의 가변에 따라 입력 전류 리플 크기의 변화 양상을 확인하였다.

성능/효과

따라서 본 논문에서는 3상 부스트 컨버터를 DCM 모드로 동작시키고, 기존의 고정주파수 PWM 제어를 통한 출력전압 제어와 달리 추가적으로 입력 전류 리플의 저감이 가능한 고정 듀티 비 주파수 가변 동작 알고리즘을 제안하였다. 600W급 하드웨어의 설계를 통해 시작품을 제작하였으며, 이를 통해 제안한 알고리즘의 입력 전류 리플의 저감 효과를 검증하였다.
그림 8은 표 1의 조건에 따라 입력전압을 33 V에서 60 V로 가변했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 각각의 제어 알고리즘간의 입력 전류 리플을 비교해 봤을 때 스위칭 주파수가 변하는 과도상태 구간을 제외하면 제안한 알고리즘을 적용했을 때 입력 전류 리플이 저감되는 것을 확인할 수 있다. 특히 입력전압이 40 V – 50 V 사이일 때 스위칭 주파수가 고정주파수 제어의 20 kHz보다 작음에도 불구하고 입력 전류 리플이 작음을 확인 가능하다.
제안한 알고리즘은 입력 전류 리플을 최소화 하기 위해 입력 전압 및 출력전압의 비에 따라 듀티비를 (1/N)*k (k=1…N-1)로 고정하고 스위칭 주파수를 가변하여 출력 전압을 제어한다. 기존 고정주파수 PWM 제어 알고리즘 대비 계산된 스위칭 주파수가 낮은 구간에서도 입력 전류 리플 저감의 효과가 있으며 이를 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다. 따라서 추가적인 하드웨어 없이 DCM 동작의 장점을 가지면서도 입력 전류 리플을 저감할 수 있으며, 필터 및 EMI 설계에 도움이 될 것으로 판단된다.
제안한 알고리즘도 기본적으로 DCM으로 동작하기 때문에 영전류 턴-온을 통한 고효율 획득이 가능하다. 따라서 각각의 알고리즘간의 효율 차이는 거의 없으며, 하드웨어의 추가 없이 제어기법만으로 기존의 고정주파수 DCM 제어 대비 입력 전류 리플 저감의 효과를 얻을 수 있다.
제어 알고리즘이 적용되는 구간에서 급격한 스위칭 주파수의 변동에 의해 입력 전류가 튀는 것을 확인 할 수 있는데 이는 스위칭 주파수를 점진적으로 바꾸는 것으로 저감할 수 있다.스위칭 주파수는 입력 전압에 따라 11.3 kHz에서 37 kHz까지 변동하며 출력 전압은 90 V로 잘 제어되는 것을 확인 할 수 있다. 입력전압이 40 V 이하일 때는 승압에 필요한 스위칭 주파수가 9 kHz 이하로 매우 낮아지기 때문에 기존 고정 주파수 제어에 비해 입력 전류 리플이 커지며, 인덕터의 포화 위험이 있기 때문에 스위칭 주파수를 20 kHz로 고정하여 제어하였다.
그림 10은 입력전압에 따라 알고리즘 별 시뮬레이션 및 실험결과를 비교한 그래프를 나타낸다. 전 입력 전압 범위에서 제안한 알고리즘을 적용하였을 때의 입력 전류 리플의 크기가 항상 작거나 같은 것을 확인할 수 있으며 제안한 알고리즘 적용 시 시뮬레이션 결과와 실험 결과 값의 차이는 전류에 의한 인덕턴스 변화에 기인한다.
그림 12는 고정주파수제어 알고리즘과 제안한 듀티 고정 가변주파수 제어 알고리즘을 적용했을 때의 효율 비교를 나타낸다. 제안한 알고리즘도 기본적으로 DCM으로 동작하기 때문에 영전류 턴-온을 통한 고효율 획득이 가능하다. 따라서 각각의 알고리즘간의 효율 차이는 거의 없으며, 하드웨어의 추가 없이 제어기법만으로 기존의 고정주파수 DCM 제어 대비 입력 전류 리플 저감의 효과를 얻을 수 있다.
제안한 알고리즘에서 그림 9와 같이 입력 전압이 45 V, 스위칭 주파수가 13 kHz일 때에는 D=0.33, D_A=0.67이 되어 각 상의 인덕터 전류의 상승, 하강 및 영전류 구간이 각각 주기의 1/3씩 대칭적으로 입력전류에 나타나기 때문에 CCM 동작 시 듀티 비가 1/N 이 될 때와 유사하게 입력 전류 리플이 거의 0에 가까운 것을 확인할 수 있다. 반면, 주파수를 20 kHz로 고정하고 DCM으로 제어했을 때에는 입력 전류 리플이 이론적으로 0이 되는 구간이 존재하지 않는다.
특히 입력전압이 40 V – 50 V 사이일 때 스위칭 주파수가 고정주파수 제어의 20 kHz보다 작음에도 불구하고 입력 전류 리플이 작음을 확인 가능하다. 제어 알고리즘이 적용되는 구간에서 급격한 스위칭 주파수의 변동에 의해 입력 전류가 튀는 것을 확인 할 수 있는데 이는 스위칭 주파수를 점진적으로 바꾸는 것으로 저감할 수 있다.스위칭 주파수는 입력 전압에 따라 11.
특히 입력전압이 40 V – 50 V 사이일 때 스위칭 주파수가 고정주파수 제어의 20 kHz보다 작음에도 불구하고 입력 전류 리플이 작음을 확인 가능하다.

후속연구

기존 고정주파수 PWM 제어 알고리즘 대비 계산된 스위칭 주파수가 낮은 구간에서도 입력 전류 리플 저감의 효과가 있으며 이를 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다. 따라서 추가적인 하드웨어 없이 DCM 동작의 장점을 가지면서도 입력 전류 리플을 저감할 수 있으며, 필터 및 EMI 설계에 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CCM으로 동작하는 다상 부스트 컨버터의 장점은?	CCM으로 동작하는 다상 부스트 컨버터의 경우 입력 전류 리플을 저감할 수 있는 장점이 있으나 스위칭 시의 손실 및 다이오드의 역회복 전류에 의해 스위치에 스파이크성 전압이 발생하게 되어 효율 및 EMI 특성에 영향을 미치게 된다. 이를 저감하기 위해 DCM으로 동작시키는 경우 스위치의 영전류 턴-온이 가능하고 다이오드의 역회복 전류에 의한 악영향을 저감할 수 있는 장점이 있으나, CCM으로 동작할 때에 비해 전반적인 입력 전류 리플이 증가하는 단점이 있다.
	PV 및 FC 발전에서 안정적인 출력 전압 및 전류를 얻기 위하여 전력 변환 장치가 반드시 필요한 이유는?	그러나 PV 및 FC 발전은 각각 일사량, 기온 및 수소의 공급 상황 등 외부 발전 환경에 따라 출력 전압 또는 전류가 변화하는 특성을 갖고 있기 때문에 안정적인 출력 전압 및 전류를 얻기 위하여 전력 변환 장치가 반드시 필요하다. 일반적으로 FC 및 PV는 계통에 비해 낮은 출력 전압을 갖고 있기 때문에 부스트 컨버터를 사용하여 승압하는 과정을 필요로 하며, 필요 시 각 소자의 전류 스트레스를 저감하기 위해 병렬로 컨버터를 구성하여 인터리빙 제어를 수행할 수 있다.

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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